计算机组成原理综述论文

计算机组成原理综述论文

计算机组成原理是计算机专业人员必须掌握的基础知识。显而易见《计算机组成原理》是计算机科学与技术专业的一门核心的专业必修课程。下面是我给大家推荐的计算机组成原理相关论文，希望大家喜欢!

计算机组成原理相关论文篇一

《浅谈计算机组成原理》

摘要：计算机组成原理是计算机科学与技术专业的主干硬件专业基础课，本书突出介绍计算机组成的一般原理，不结合任何具体机型，在体系结构上改变了过去自底向上的编写习惯，采用从外部大框架入手，层层细化的叙述方法，即采用自顶向下的分析方法，详述了计算机组成原理，使读者更容易形成计算机的整体概念。此外，为了适应计算机科学发展的需要，除了叙述基本原理外，本书还增加了不少新的内容，书中举例力求与当代计算机技术相结合，考虑到不好学校不设外部设备课程，故本书适当地增加了外存和外部设备的内容。通过本书的学习，可以对计算机的原理有个整体的概念，能有个大概的了解，对待不同的机型以后也会好掌握的。

关键字：计算机组成原理;课程;作用

在计算机普及的今天，现代信息技术飞速发展，计算机的应用在政治、经济、文化等方方面面产生了巨大影响。而计算机的知识更新的速度非常的快，这就使得我们这些学计算机的面临着要不断的更新自己关于计算机的知识，以适应市场的需要。其实在大学四年里，我们并不能学到很多的知识，我们学习的只不过是如何学习的能力，大学就是培养学生各种能力的地方。在大学里学到的知识很多是你以后走上社会用不到的。这就要求我们在学习课本上的理论知识的同时，还应从中学习到学习的能力。

计算机组成原理是硬件系列课程中的核心课程，是计算机专业重要的专业基础课，它对其它课程有承上启下的作用，它的先修课程为“汇编语言”、“数字逻辑”，它又与“计算机系统结构”、“操作系统”、“计算机接口技术”等课程密切相关。它的主要教学任务是要求学生能系统地理解计算机硬件系统的逻辑组成和工作原理，培养学生对计算机硬件结构的分析、应用、设计及开发能力。它既有自身的完整理论体系，又有很强的实践性。该课程具有知识面、内容多、抽象枯燥、难理解、更新快等特点。

课程主要内容和基本原理

(一)本书的主要内容

该课程主要讲解简单、单台计算机的完整组成原理和内部运行机制，包括运算器部件、控制器部件、存储器子系统、输入/输出子系统(总线与接口等)与输入/输出系统设备，围绕各自的功能、组成、设计、实现、使用等知识进行介绍。

(二)本课程的特点

这本书摆脱了传统，死板的编写方法，采用从整体框架入手，自顶向下，由表及里，层层细化的叙述方法，通过对计算机系统概述，总线系统等的深入剖析和详细讲解，使我们能形象的理解计算机的基本组成和工作原理。而且为了适应计算机科学发展的需要，除了叙述基本原理外，书中还增加了新的内容，书中举例力求与当代计算机技术相结合。

而且该课程的工程性、实践性、技术性比较强，还强调培养学生的动手动脑能力、开创与创新意识、实验技能，这些要求更多的是通过作业、教学实验等环节完成，要求学生有意识地主动加强这些方面的练习与锻炼。

(三)本课程的作用

计算机组成原理课，对于许多必须学习这门课的学生来说都会感到困难和不理解，为什么要学习这门课，本人在这里可以打个比喻。在过去每个人都会造人，但是都不清楚他的详细过程，现在由于科学家的工作，使得我们都清楚了他的过程，就使得我们能够创造出来比较优良的人来了。用计算机的过程和这个差不多，当我们明白了计算机的组成和工作原理以后，我们就可以更好的使用好计算机，让它为我们服务。

1、实际应用

首先我认为在《计算机组成原理》这本书中学到的有关计算机原理方面的知识，对我们以后了解计算机以及和计算机打交道，甚至在以后应用计算机时，都可能会有很大的益处，计算机原理的基本知识是不会变的，变也只是会在此基础上，且不会偏离这些最基本的原理，尤其是这本计算机组成原理介绍的计算机原理是一种一般的计算机原理，不是针对某一个特定的机型而介绍的，下面我们来谈谈系统总线的发展和应用。

2、定义

总线，英文叫作“BUS”,即我们中文的“公共车”，这是非常形象的比如，公共车走的路线是一定的，我们任何人都可以坐公共车去该条公共车路线的任意一个站点。如果把我们人比作是电子信号，这就是为什么英文叫它为“BUS”而不是“CAR”的真正用意。当然，从专业上来说，总线是一种描述电子信号传输线路的结构形式，是一类信号线的集合，是子系统间传输信息的公共通道[1]。通过总线能使整个系统内各部件之间的信息进行传输、交换、共享和逻辑控制等功能。如在计算机系统中，它是CPU、内存、输入、输出设备传递信息的公用通道，主机的各个部件通过主机相连接，外部设备通过相应的接口电路再于总线相连接。

3、工作原理

系统总线在微型计算机中的地位，如同人的神经中枢系统，CPU通过系统总线对存储器的内容进行读写，同样通过总线，实现将CPU内数据写入外设，或由外设读入CPU。微型计算机都采用总线结构。总线就是用来信息的一组通信线。微型计算机通过系统总线将各部件连接到一起，实现了微型计算机内部各部件间的信息交换。一般情况下，CPU提供的信号需经过总线形成电路形成系统总线。系统总线按照传递信息的功能来分，分为地址总线、数据总线和控制总线。这些总线提供了微处理器(CPU)与存储器、输入输出接口部件的连接线。可以认为，一台微型计算机就是以CPU为核心，其它部件全“挂接”在与CPU相连接的系统总线上。这种总线结构形式，为组成微型计算机提供了方便。人们可以根据自己的需要，将规模不一的内存和接口接到系统总线上，很容易形成各种规模的微型计算机。

4、分类：

总线分类的方式有很多，如被分为外部和内部总线、系统总线和非系统总线等等，下面是几种最常用的分类方法。

(1)按功能分

最常见的是从功能上来对数据总线进行划分，可以分为地址总线、数据总线、和控制总线。在有的系统中，数据总线和地址总线可以在地址锁存器控制下被共享，也即复用。

地址总线是专门用来传送地址的。在设计过程中，见得最多的应该是从CPU地址总线来选用外部存储器的存储地址。地址总线的位数往往决定了存储器存储空间的大小，比如地址总线为16位，则其最大可存储空间为216(64KB)。

数据总线是用于传送数据信息，它又有单向传输和双向传输数据总线之分，双向传输数据总线通常采用双向三态形式的总线。数据总线的位数通常与微处理的字长相一致。例如Intel8086微处理器字长16位，其数据总线宽度也是16位。在实际工作中，数据总线上传送的并不一定是完全意义上的数据。

控制总线是用于传送控制信号和时序信号。如有时微处理器对外部存储器进行操作时要先通过控制总线发出读/写信号、片选信号和读入中断响应信号等。控制总线一般是双向的，其传送方向由具体控制信号而定，其位数也要根据系统的实际控制需要而定。

(2)按传输方式分

按照数据传输的方式划分，总线可以被分为串行总线和并行总线。从原理来看，并行传输方式其实优于串行传输方式，但其成本上会有所增加。通俗地讲，并行传输的通路犹如一条多车道公路，而串行传输则是只允许一辆汽车通过单线公路。目前常见的串行总线有SPI、I2C、USB、IEEE1394、RS232、CAN等;而并行总线相对来说种类要少，常见的如IEEE1284、ISA、PCI等。

(3)按时钟信号方式分

按照时钟信号是否独立，可以分为同步总线和异步总线。同步总线的时钟信号独立于数据，也就是说要用一根单独的线来作为时钟信号线;而异步总线的时钟信号是从数据中提取出来的，通常利用数据信号的边沿来作为时钟同步信号。

5、发展简史

计算机系统总线的详细发展历程，包括早期的PC总线和ISA总线、PCI/AGP总线、PCI-X总线以及主流的PCIExpress、HyperTransport高速串行总线。从PC总线到ISA、PCI总线，再由PCI进入PCIExpress和HyperTransport体系，计算机在这三次大转折中也完成三次飞跃式的提升。

与这个过程相对应，计算机的处理速度、实现的功能和软件平台都在进行同样的进化，显然，没有总线技术的进步作为基础，计算机的快速发展就无从谈起。业界站在一个崭新的起点：PCIExpress和HyperTransport开创了一个近乎完美的总线架构。而业界对高速总线的渴求也是无休无止，PCIExpress2.0和HyperTransport3.0都将提上日程，它们将会再次带来效能提升。在计算机系统中，各个功能部件都是通过系统总线交换数据，总线的速度对系统性能有着极大的影响。而也正因为如此，总线被誉为是计算机系统的神经中枢。但相比CPU、显卡、内存、硬盘等功能部件，总线技术的提升步伐要缓慢得多。在PC发展的二十余年历史中，总线只进行三次更新换代，但它的每次变革都令计算机的面貌焕然一新。

6、心得体会

自从上了大学后，进入这个专业后才能这么经常的接触到电脑，才能学到有关电脑方面的知识。正因为接触这类知识比较的晚，所以学习这方面的知识感觉到吃力。学习了这门课后觉得，计算机组成原理确实很难，随着计算机技术和电子技术的飞速发展。计算机内部结构日趋复杂和庞大而且高度集成化。这使的我们普遍感到计算机组成原理这门课难学、难懂、概念抽象、感性认识差。在计算机技术快速发展的今天，新技术、新理论从提出到实际应用的周期大大缩短。我们很难在有限的教学时间内.在理解掌握基本知识技能的基础上。学习新知识、新技术，很难增强我们的学习兴趣。也就更谈不上能够利用基本原理解决在学习过程中所遇到的新问题。

当进入第四章，存储器的学习时，各种问题就不断的出现，尤其在进行存储器容量扩展时，很多的问题都是似懂非懂的，在做题目时，也是犯各种各样的错误。在第五章的学习中，对于I/O设备与主机交换信息的控制方式中的程序查询方式，程序中断方式和DMA方式有了点了解。最难的就要数中央处理器和控制单元了。对于计算机运算方法，这个没太搞懂，像定点运算中的乘法运算和除法运算，又是用的什么原码一位乘、原码两位乘、补码一位乘、补码两位乘。总之，我是被绕晕了。还有就是控制单元的设计方法微程序设计，这个知识点也是不太懂，总的来说这门课程，学得不是很好。可是通过这门课的学习，我也学习到了很多以前不知道的知识：计算机都有些什么硬件，都有哪几类总线，总线在计算机中又扮演着什么角色。计算机中的存储器有哪些等等。让我对计算机有了一个大致的了解。至少我不再像以前那样对计算机什么也都不懂。

结语：

通过学习这门课程，我们能够从中得到有关计算机方面的知识，但是更多的是这门课程可以培养我们以下能力：

1、系统级的认识能力。建立整机概念，掌握自项向下的问题分析能力，既能理解系统各层次的细节，又能站在系统总体的角度从宏观上认识系统，然后将系统很好的分解为功能模块。这种理解必须超越各组成部分的实现细节，而认识到计算机的软件系统和硬件系统的结构以及它们建立和分析的过程，这一过程是应该以深入理解计算机组成原理为基础的。

2、培养学生理论联系实际的能力。计算机实践教学是计算机课程的重要环节，学好计算机仅靠理论知识是不够的，课堂讲授是使学生掌握计算机的基本知识和基本技能，而计算机实践教学的目的是要通过实际操作将所学到的知识付诸实际，是课堂教学的延伸和补充。计算机设计与实践就是从理论、抽象、设计三个方面将计算机系统内部处理器、存储器、控制器、运算器、外设等各个部分联系起来，达到互相支撑、互相促进进。

参考文献

[1]唐硕飞主编计算机组成原理高等教育出版社

[2]陈金儿,王让定,林雪明,等.基于CC2005的“计算机组成原理与结构”课程改革[J].计算机教育,2006(11):33-37.

[3]郑玉彤.《计算机组成原理》课程实现的比较研究[J].中央民族大学学报,2003,12(1):79-82.

[4]刘旭东,熊桂喜.“计算机组成原理”的课程改革与实践[J].计算机教育,2009(7):74-76.

[5]赵秋云,何嘉,魏乐.对《计算机组成原理》课程教学模式的探讨[J].电脑知识与技术,2008,4(3):693-694.

[6]姚爱红,张国印,武俊鹏.计算机专业硬件课程实践教学研究[J].计算机教育,2007(12):29-31.

计算机组成原理相关论文篇二

《计算机组成及其控制单元》

摘要：本论文主要论述了冯-诺依曼型计算机的基本组成与其控制单元的构建方法，一台计算机的核心是cpu，cpu的核心就是他的控制单元，控制单元好比人的大脑，不同的大脑有不同的想法，不同的控制单元也有不同的控制思路。所以，控制单元直接影响着指令系统，它的格式不仅直接影响到机器的硬件结构，而且也直接影响到系统软件，影响机器的适用范围。而冯诺依曼型计算机是计算机构建的经典结构，正是现代计算机的代表。

关键字：冯诺依曼型计算机，计算机的组成，指令系统，微指令

一.计算机组成原理课程综述：

本课程采用从外部大框架入手，层层细化的叙述方法，先是介绍计算机的基本组成，发展和展望。后详述了存储器，输入输出系统，通信总线，cpu的特性结构和功能，包括计算机的基本运算，指令系统和中断系统，并专门介绍了控制单元的功能和设计思路和实现措施。

二.课程主要内容和基本原理：

A.计算机的组成：

冯诺依曼型计算机主要有五大部件组成：运算器，存储器，控制器，输入输出设备。

1.总线：

总线是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，它是由导线组成的传输线束，按照计算机所传输的信息种类，计算机的总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址和控制信号。总线是一种内部结构，它是cpu、内存、输入、输出设备传递信息的公用通道，主机的各个部件通过总线相连接，外部设备通过相应的接口电路再与总线相连接，从而形成了计算机硬件系统。在计算机系统中，各个部件之间传送信息的公共通路叫总线，微型计算机是以总线结构来连接各个功能部件的。总线按功能和规范可分为三大类型:

(1)片总线(ChipBus,C-Bus)

又称元件级总线，是把各种不同的芯片连接在一起构成特定功能模块(如CPU模块)的信息传输通路。

(2)内总线

又称系统总线或板级总线，是微机系统中各插件(模块)之间的信息传输通路。例如CPU模块和存储器模块或I/O接口模块之间的传输通路。(3)外总线又称通信总线，是微机系统之间或微机系统与其他系统(仪器、仪表、控制装置等)之间信息传输的通路，如EIARS-232C、IEEE-488等。其中的系统总线，即通常意义上所说的总线，一般又含有三种不同功能的总线，即数据总线DB、地址总线AB和控制总线CB。

2.存储器：

存储器是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。计算机中全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。有了存储器，计算机才有记忆功能，才能保证正常工作。按用途存储器可分为主存储器(内存)和辅助存储器(外存),也有分为外部存储器和内部存储器的分类方法。外存通常是磁性介质或光盘等，能长期保存信息。内存指主板上的存储部件，用来存放当前正在执行的数据和程序，但仅用于暂时存放程序和数据，关闭电源或断电，数据会丢失。

存储器的主要功能是存储程序和各种数据，并能在计算机运行过程中高速、自动地完成程序或数据的存取。

存储器是具有“记忆”功能的设备，它采用具有两种稳定状态的物理器件来存储信息。这些器件也称为记忆元件。在计算机中采用只有两个数码“0”和“1”的二进制来表示数据。记忆元件的两种稳定状态分别表示为“0”和“1”。日常使用的十进制数必须转换成等值的二进制数才能存入存储器中。计算机中处理的各种字符，例如英文字母、运算符号等，也要转换成二进制代码才能存储和操作。

按照与CPU的接近程度，存储器分为内存储器与外存储器，简称内存与外存。内存储器又常称为主存储器(简称主存)，属于主机的组成部分;外存储器又常称为辅助存储器(简称辅存)，属于外部设备。CPU不能像访问内存那样，直接访问外存，外存要与CPU或I/O设备进行数据传输，必须通过内存进行。在80386以上的高档微机中，还配置了高速缓冲存储器(cache)，这时内存包括主存与高速缓存两部分。对于低档微机，主存即为内存。

3.I/O系统：

I/O系统是操作系统的一个重要的组成部分，负责管理系统中所有的外部设备。

计算机外部设备。在计算机系统中除CPU和内存储外所有的设备和装置称为计算机外部设备(外围设备、I/O设备)。I/O设备：用来向计算机输入和输出信息的设备，如键盘、鼠标、显示器、打印机等。

I/O设备与主机交换信息有三种控制方式：程序查询方式，程序中断方式，DMA方式。程序查询方式是由cpu通过程序不断的查询I/O设备是否做好准备，从而控制其与主机交换信息。

程序中断方式不查询设备是否准备就绪，继续执行自身程序，只是当I/o设备准备就绪并向cpu发出中断请求后才给予响应，这大大提高了cpu的工作效率。

在DMA方式中，主存与I/O设备之间有一条数据通路，主存与其交换信息时，无需调用中断服务程序。

4.运算器：

计算机中执行各种算术和逻辑运算操作的部件。运算器的基本操作包括加、减、乘、除四则运算，与、或、非、异或等逻辑操作，以及移位、比较和传送等操作，亦称算术逻辑部件(ALU)。

运算器由：算术逻辑单元(ALU)、累加器、状态寄存器、通用寄存器组等组成。算术逻辑运算单元(ALU)的基本功能为加、减、乘、除四则运算，与、或、非、异或等逻辑操作，以及移位、求补等操作。计算机运行时，运算器的操作和操作种类由控制器决定。运算器处理的数据来自存储器;处理后的结果数据通常送回存储器，或暂时寄存在运算器中。与运算器共同组成了CPU的核心部分。

实现运算器的操作，特别是四则运算，必须选择合理的运算方法。它直接影响运算器的性能，也关系到运算器的结构和成本。另外，在进行数值计算时，结果的有效数位可能较长，必须截取一定的有效数位，由此而产生最低有效数位的舍入问题。选用的舍入规则也影响到计算结果的精确度。在选择计算机的数的表示方式时，应当全面考虑以下几个因素：要表示的数的类型(小数、整数、实数和复数)：决定表示方式，可能遇到的数值范围：确定存储、处理能力。数值精确度：处理能力相关;数据存储和处理所需要的硬件代价：造价高低。运算器包括寄存器、执行部件和控制电路3个部分。在典型的运算器中有3个寄存器：接收并保存一个操作数的接收寄存器;保存另一个操作数和运算结果的累加寄存器;在运算器进行乘、除运算时保存乘数或商数的乘商寄存器。执行部件包括一个加法器和各种类型的输入输出门电路。控制电路按照一定的时间顺序发出不同的控制信号，使数据经过相应的门电路进入寄存器或加法器，完成规定的操作。为了减少对存储器的访问，很多计算机的运算器设有较多的寄存器，存放中间计算结果，以便在后面的运算中直接用作操作数。

B.控制单元：

控制单元负责程序的流程管理。正如工厂的物流分配部门，控制单元是整个CPU的指挥控制中心，由指令寄存器IR、指令译码器ID和操作控制器0C三个部件组成，对协调整个电脑有序工作极为重要。它根据用户预先编好的程序，依次从存储器中取出各条指令，放在指令寄存器IR中，通过指令译码(分析)确定应该进行什么操作，然后通过操作控制器OC，按确定的时序，向相应的部件发出微操作控制信号。操作控制器OC中主要包括节拍脉冲发生器、控制矩阵、时钟脉冲发生器、复位电路和启停电路等控制逻辑。

1.指令系统

指令系统是计算机硬件的语言系统，也叫机器语言，它是软件和硬件的主要界面，从系统结构的角度看，它是系统程序员看到的计算机的主要属性。因此指令系统表征了计算机的基本功能决定了机器所要求的能力，也决定了指令的格式和机器的结构。对不同的计算机在设计指令系统时，应对指令格式、类型及操作功能给予应有的重视。

计算机所能执行的全部指令的集合，它描述了计算机内全部的控制信息和“逻辑判断”能力。不同计算机的指令系统包含的指令种类和数目也不同。一般均包含算术运算型、逻辑运算型、数据传送型、判定和控制型、输入和输出型等指令。指令系统是表征一台计算机性能的重要因素，它的格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，而且也直接影响到系统软件，影响到机器的适用范围。

根据指令内容确定操作数地址的过程称为寻址。一般的寻址方式有立即寻址，直接寻址，间接寻址，寄存器寻址，相对寻址等。

一条指令实际上包括两种信息即操作码和地址码。操作码用来表示该指令所要完成的操作(如加、减、乘、除、数据传送等)，其长度取决于指令系统中的指令条数。地址码用来描述该指令的操作对象，它或者直接给出操作数，或者指出操作数的存储器地址或寄存器地址(即寄存器名)。

2.微指令

在微程序控制的计算机中，将由同时发出的控制信号所执行的一组微操作称为微指令。所以微指令就是把同时发出的控制信号的有关信息汇集起来形成的。将一条指令分成若干条微指令，按次序执行就可以实现指令的功能。若干条微指令可以构成一个微程序，而一个微程序就对应了一条机器指令。因此，一条机器指令的功能是若干条微指令组成的序列来实现的。简言之，一条机器指令所完成的操作分成若干条微指令来完成，由微指令进行解释和执行。微指令的编译方法是决定微指令格式的主要因素。微指令格式大体分成两类:水平型微指令和垂直型微指令。

从指令与微指令，程序与微程序，地址与微地址的一一对应关系上看，前者与内存储器有关，而后者与控制存储器(它是微程序控制器的一部分。微程序控制器主要由控制存储器、微指令寄存器和地址转移逻辑三部分组成。其中，微指令寄存器又分为微地址寄存器和微命令寄存器两部分)有关。同时从一般指令的微程序执行流程图可以看出。每个CPU周期基本上就对应于一条微指令。

三.心得体会;

在做完这次课程论文后，让我再次加深了对计算机的组成原理的理解，对计算机的构建也有更深层次的体会。计算机的每一次发展，都凝聚着人类的智慧和辛勤劳动，每一次创新都给人类带来了巨大的进步。计算机从早期的简单功能，到现在的复杂操作，都是一点一滴发展起来的。这种层次化的让我体会到了，凡事要从小做起，无数的‘小’便成就了‘大’。

现在计算机仍以惊人的速度发展，期待未来的计算机带给人们更大的惊喜和进步。

四.结语：

自从1945年世界上第一台电子计算机诞生以来，计算机技术迅猛发展，CPU的速度越来越快，体积越来越小，价格越来越低。计算机界据此总结出了“摩尔法则”，该法则认为每18个月左右计算机性能就会提高一倍。

越来越多的专家认识到，在传统计算机的基础上大幅度提高计算机的性能必将遇到难以逾越的障碍，从基本原理上寻找计算机发展的突破口才是正确的道路。很多专家探讨利用生物芯片、神经网络芯片等来实现计算机发展的突破，但也有很多专家把目光投向了最基本的物理原理上，因为过去几百年，物理学原理的应用导致了一系列应用技术的革命，他们认为未来光子、量子和分子计算机为代表的新技术将推动新一轮超级计算技术革命。

五.参考文献：

【1】计算机组成原理，唐朔飞

【2】计算机组成原理，白中英

计算机组成原理论文

计算机组成原理是计算机专业一门重要的主干课程，以数字逻辑为基础的课程。同时也是计算机结构、 操作系统 等专业课的学习基础。下面是我给大家推荐的计算机组成原理论文，希望大家喜欢!

计算机组成原理论文篇一

《计算机组成原理课程综述》

摘要：计算机组成原理是计算机专业一门重要的主干课程，以数字逻辑为基础的课程。同时也是计算机结构、操作系统等专业课的学习基础。课程任务是使学生掌握计算机组成部件的工作原理、逻辑实现、设计 方法 及将各部件接连成整机的方法，建立CPU级和硬件系统级的整机概念，培养学生对计算机硬件系统的分析、开发与设计能力。同时该课程也是学好计算机硬件系列课程的重要基础。所以，我们需要了解计算机的基本概念、计算机硬件系统以及软件系统的组成及其基本功能。学习计算机的各个基本组成部件及控制单元的工作原理，掌握有关软件、硬件的基本知识，尤其是各基本组成部件有机连接构成整机的方法。

关键词：计算机系统;硬件结构;软件结构;控制单元

一、计算机组成原理课程综述

顾名思义，计算机组成原理就是介绍计算机的组成，冯-诺依曼计算机由五大部件组成，分别是运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备。现今绝大部门都是此类型计算机。通过对这么课的学习对计算机的组成有个整体的概念。计算机组成原理从内容上看一、虽然计算机的五大部件自成体系，较为独立，但是从整体来看，还是具有明显的整体性;二、某些设计思想可应用于不同的部件，具有相通性，例如并行性思想。

二、课程主要内容和基本原理

(一)计算机系统

计算机系统是由“硬件”和“软件”两大部分组成。所谓硬件是指计算机的实体部分，它由看得见摸的着的各种电子元器件，各类光、电、机设备的实物组成，如主机、外部设备等。所谓软件，它看不见摸不着，由人们事先编制的具有各类特殊功能的程序组成。通常把这些程序寄寓于各类媒体(如RAM、ROM、磁带、磁盘、光盘、甚至纸袋)，他们通常存放在计算机的主存或辅存内。

(二)系统总线

计算机系统的五大部件之间的互连方式有两种，一种是各部件之间使用单独的连线，称为分散连接;另一种是将各部件连到一组公共信息传输线上，称为总线连接。

总线是连接多个部件的信息传输线，是各部件共享的传输介质。当多个部件相连时，如果出现两个或两个以上部件同时向总线发送信息，势必导致信号冲突，传输无效。因此，在某一时刻，只允许有一个部件向总线发送信息，而多个部件可以同时从总线上接收相同的信息。

总线分为片内总线、系统总线和通信总线。片内总线是指芯片内部的总线;系统总线又可分为三类：数据总线、地址总线和控制总线。

总线的周期可分为四个阶段:申请分配阶段、寻址阶段、传数阶段、结束阶段。

总线与计算机所有的器件数据传输都离不开关系，是计算机工作的基础。

(三)存储器

存储器按存储介质分类：半导体存储器、磁表面存储器、磁芯存储器、光盘存储器。按存取方式分类：随机存储器RAM、只读存储器ROM、串行访问存储器。按在计算机中的作用分类：主存储器、辅助存储器。按在计算机系统中的作用分类：主存储器、辅助存储器、高速缓冲存储器Cache、控制存储器。其中静态RAM是用触发器工作原理存储信息，因此即使信息读出后，他仍然保持其原状，不需要再生，但是电源掉电时，原存储信息丢失。动态RAM是靠电容存储电荷的原理来寄存信息。但是电容上的电荷只能维持1~2ms，因此即使电源不掉电，信息也会因此自动消失，为此，必须在2ms内对其所有存储单元恢复一次原状态，这个过程称为再生或刷新。

由于单个存储芯片的容量总是有限的，很难满足实际的需要，因此要进行位扩展和字扩展。存储芯片的容量不同，其地址线也不同，通常将CPU地址线的低位与存储芯片的低址线相连。

同样，CPU的数据线数与存储芯片的数据线也不一定相等。此时，必须对存储芯片扩位，使其位数与CPU的数据线相等。

高速缓冲存储器cache主要解决主存与CPU速度不匹配的问题。主存与cache地址映射关系有:直接相联映射、全相联映射、组相联映射。

(四)输入输出系统

I/O设备与主机的联系方式：统一编址和不统一编址。统一编址就是将I/O地址看做是存储器地址的一部分。不统一编址是指I/O地址和存储器地址是分开的，所有对I/O设备的访问必须有专用的I/O指令。传送方式有串行传送和并行传送。I/O设备与主机信息传送的控制方式有三种：程序查询方式(主机与设备是串行工作的)，程序中断方式(程序与主机是并行工作的)和DMA方式(主机与设备是并行工作的)。DMA方式工作：1、中断 cpu 访存，2、挪用周期，3、与CPU交互访存。输出设备有打印机， 显示器 等。

(五)计算方法

计算机的运行需要有运算的参与，参与运算的数有无符号类和有符号类。掌握二进制原码和补码的加减乘除运算。

(六)指令系统

指令由操作码和地址码两部分组成，操作码用来指明该指令所要完成的操作，例如加减，传送，移位，转移等;其位数反映了操作的种类也即机器允许的指令条数。地址码用来指出该指令的源操作数的地址(一个或两个)、结果的地址以及下一条指令的地址。指令寻址分为顺序寻址和跳跃寻址两种。其寻址方式分为10种，分别是：立即寻址，直接寻址，隐含寻址，间接寻址，寄存器寻址，寄存器间接寻址，基址寻址，变址寻址，相对寻址，堆栈寻址。指令格式有零地址，一地址，二地址，三地址等。需能分析指令格式所含的意义。

(七)CPU的结构与功能

CPU实质包括运算器和控制器两大部分，基本功能是取指令，分析指令，执行指令。CPU的寄存器有用户可见寄存器：通用寄存器，数据寄存器，地址寄存器，条件码寄存器。控制和状态寄存器：存储器地址寄存器，存储器数据寄存器，程序寄存器，指令寄存器。指令流水处理减少了运行时间，提高机器效率。中断系统在前面章节介绍过，此处在简单补充一些，引起中断的有很多种因素：人为设置的中断，程序性事故，硬件故障，I/O设备，外部事件。中断判优可用硬件实现，也可用软件实现。中断服务程序入口地址的寻找方法：硬件向量方法和软件查询法。中断响应的过程：响应中断的条件，响应中断的时间，中断隐指令和关中断。其中中断隐指令就是机器指令系统中没有的指令，他是CPU在中断周期内由硬件自动完成的一条指令。在中断响应之前需要对现场进行保护，中断结束之后需要对现场进行恢复。中断屏蔽技术主要用于多级中断，屏蔽技术可以改变优先级。

(八)控制单元的功能

控制单元具有发出各种微操作(即控制信号)序列的功能。取指周期可以归纳为以下几个操作，->MAR2.1->R3.M(MAR)->->(IR)->CU6(PC)+1->PC。间址周期：(IR)->MAR2.1->R3.M(MAR)->->AD(IR).执行周期中不同执行周期的微操作是不同的：1、非访存类指令2、访存指令3、转移类指令。非访存类指令：1、清除累加器指令CLA----0->ACC;2、累加器取反指令、算数右移一位指令SHRL(ACC)->R(ACC),ACC0->ACC0;4、循环左移一位指令CSLR(ACC)->L(ACC)ACCo->ACCn;5、停机指令0->G。访存指令：这类指令在执行阶段都需要访存存储器。

1、加法指令ADDX。

2、存数指令STAX(3)取值指令LDAX。转移类指令：

(1)无条件转移指令JMPX。

(2)条件转移指令BANX。在执行周期结束时刻，cpu要查询是否有请求中断的事件发生，如果有则进入中断周期。在中断周期，由中断隐指令自动完成保护断点、寻找中断服务程序入口地址以及硬件关中断的操作。控制信号的外特性：a.输入信号：时钟，指令寄存器，标志，来自系统总线的控制信号。b.输出信号：CPU内的控制信号，送至系统总线的信号。

常见的控制方式有同步控制，异步控制，联合控制和人工控制。

(九)控制单元的设计

组合逻辑的设计又称硬布线控制器，由门电路和触发器构成的复杂树形网络形成的逻辑电路。安排微操作节拍时注意以下三点：1、有些微操作的次序是不容改变的，故安排微操作的节拍时必须注意微操作的先后顺序。2、凡是控制对象不同的微操作，若能在一个节拍内执行，应尽可能安排在同一个节拍内，以节省时间。3、如果有些微操作所占的时间不长，应该将它们安排在一个节拍内完成，并且允许这些微操作有先后次序。微程序的设计：采用微程序设计方法设计控制单元的过程就是编写每一条机器指令的微程序，他是按执行每一条机器指令所需要的微操作命令的先后顺序而编写的，因此，一条机器指令对应一个微程序。微指令的基本格式共分为两个字段，一个为操作控制字段，该字段发出各种控制信号;另一个为顺序控制字段，它可以指出下条微指令的地址(简称下地址)，以控制微指令序列的执行顺序。工作原理：取指阶段：取微指令---产生微操作命令---形成下一条微指令的地址---取下一条微指令---产生微操作命令---形成下一条微指令的地址。执行阶段:取数指令微程序首地址的形成---取微指令---产生微操作命令---形成下一条微指令的地址---取微命令.........循环。微指令的编码方式：直接编码方式，字段直接编码方式，字段间接编码方式，混合编码。后序微指令地址的形成方式：断定方式，根据机器指令的操作码形成，增量计数器法，分支转移，通过测试网络形成，由硬件产生微程序入口地址。微指令格式:水平型微指令，垂直型微指令。

三、实际应用

自ENIAC问世后将近30余年的时间里，计算机一直被作为大学和研究机构的娇贵设备。在20世纪70年代中后期，大规模集成工艺日趋成熟，微芯片上集成的晶体管数一直按每3年翻两番的Moore定律增长，微处理器的性能也按此几何级数提高，而价格也以同样的几何级数下降，以至于以前需花数百万美元的机器(如80MFLOPS的CRAY)变得价值仅为数千美元(而此类机器的性能可达200MFLOPS)，至于对性能不高的微处理器芯片而言，仅花数美元就可购到。正因为如此，才使得计算机走出实验室而渗透到各个领域，乃至走进普通百姓的家中，也使得计算机的应用范围从科学计算，数据处理等传统领域扩展到办公自动化，多媒体，电子商务，虚拟工厂，远程 教育 等，遍及社会，政治，经济，军事，科技以及个人 文化 生活和家庭生活的各个角落。

四、 心得体会

计算机科学与技术的发展日新月异，但是都离不开计算机组成原理，这门课不要死记硬背，重在理解，工科类的学习不是死记硬背就会的，还是要理解记忆才会牢靠。在做完这次课程论文后，让我再次加深了对计算机的组成原理的理解，对计算机的构建也有更深层次的体会。计算机的每一次发展，都凝聚着人类的智慧和辛勤劳动，每一次创新都给人类带来了巨大的进步。计算机从早期的简单功能，到现在的复杂操作，都是一点一滴发展起来的。

五、结语

通过对计算机组成原理这门课程的学习，使我对计算机软件和硬件技术有了一个更深入的了解，包括各种计算机的基本原理以及计算机的艰难发展历程，这门课程注重理论知识，理论知识是一切技术的最基本，也是我们必须要掌握好的。在这次课程综述论文过程中，我到图书馆查阅资料，上网查资料，让我深刻认识到计算机组成原理的重要性，也了解了许多书上没有的知识，受益匪浅。

六、参考文献

1、唐朔飞《计算机组成原理》高等教育出版社第2版

计算机组成原理论文篇二

《计算机组成原理的探讨》

摘要：计算机组成原理是计算机专业人员必须掌握的基础知识。显而易见《计算机组成原理》是计算机科学与技术专业的一门核心的专业必修课程。本课程侧重于讲授计算机基本部件的构造和组织方式、基本运算的操作原理以及部件和单元的设计思想等。但计算机硬件技术的发展十分迅速，各类新器件、新概念和新内容不断涌现，这就要求我们要与时俱进，自主学习新知识。计算机是一门应用广泛、使用面积广、技术含量高的一门学科和技术，生活中的任何一个角落都离不开计算机的应用，生活中的无处不在需要我们了解和清楚计算机的相关知识。本文从《计算机组成原理》基础课程的各个方面对计算机组成原理做了详细的解释。

关键字：构造组织方式;基本运算;操作原理;设计思想

(一)、计算机组成原理课程综述

随着计算机和通信技术的蓬勃发展，中国开始进入信息化时代，计算机及技术的应用更加广泛深入，计算机学科传统的专业优势已经不再存在。社会和应用对学生在计算机领域的知识与能力提出了新的要求。专家们指出，未来10～15年是我国信息技术发展的窗口期、关键期。

《计算机组成原理》是计算机科学与技术专业必修的一门专业主干课程。课程要求掌握计算机系统各部件的组成和工作原理、相互联系和作用，最终达到从系统、整机的角度理解计算机的结构与组成，并为后续课程的学习奠定基础。因此掌握计算机的组成原理就显得尤为重要，这就要求课程的编写要深入浅出、通俗易懂。本课程在体系结构上改变了自底向上的编写习惯，采用从外部大框架入手，层层细化的叙述方法。这样便更容易形成计算机的整体观念。

该课程总共分为四篇十章，第一篇(第1、2章)主要介绍计算机系统的基本组成、应用与发展。第二篇(第3、4、5章)详细介绍了出CPU外的存储器、输入输出系统以及连接CPU、存储器和I/O之间的通信总线。第三篇(第6、7、8、章)详细介绍了CPU(除控制单元外)的特性、结构和功能，包括计算机的基本运算、指令系统和中断系统等。第四篇(9、10章)专门介绍控制单元的功能，以及采用组合逻辑和微程序方法设计控制单元的设计思想和实现 措施 。

(二)、课程主要内容和基本原理

《计算机组成原理》是“高等学校计算机基础及应用教材”中的一本硬件基础教材，系统地介绍了计算机单处理机系统的组成及其工作原理。

主要内容包括：计算机系统概论，运算方法和运算器，存储系统，指令系统，中央处理器，总线及其互联机构，输入/输出系统。它是一门理论性强，而又与实际结合密切的课程，其特点是内容覆盖面广，基本概念多，并且比较抽象，特别是难以建立计算机的整机概念。本书以冯·诺依曼计算机结构为主线，讲授单处理机系统各大部件的组成、工作原理以及将各大部件连接成整机的工作原理。从教学上，本课程是先导课程和后续课程之间承上启下的主干课程，是必须掌握的重要知识结构。

(三)实际应用：科学计算和数据处理

科学计算一直是计算机的重要应用领域之一。其特点是计算量大和数值变化范围大。在天文学、量子化学、空气动力学和核物理学等领域都要依靠计算机进行复杂的运算。例如，人们生活难以摆脱的天气预报，要知道第二天的气候变化，采用1MIPS的计算机顷刻间便可获得。倘若要预报一个月乃至一年的气候变化，是各地提前做好防汛、防旱等工作，则100MIPS或更高的计算机才能满足。现代的航空、航天技术，如超音速飞行器的设计、人造卫星和运载火箭轨道的计算，也都离不开高速运算的计算机。

此外，计算机在 其它 学科和工程设计方面，诸如数学、力学、晶体结构分析、石油勘探、桥梁设计、建筑、土 木工 程设计等领域内，都得到了广泛的应用。

数据处理也是计算机的重要应用领域之一。早在20世纪五六十年代，人们就把大批复杂的事务数据交给了计算机处理，如政府机关公文、报表和档案。大银行、大公司、大企业的财务、人事、物料，包括市场预测、情报检索、经营决策、生产管理等大量的数据信息，都有计算机收集、存储、整理、检索、统计、修改、增删等，并由此获得某种决策数据或趋势，供各级决策指挥者参考。

(四)心得体会

这学期我们学习了计算机组成原理这门课，通过对这门课程的学习，让我对计算机的基本结构，单处理机的系统的组成与工作原理有了更加深入的了解和体会。下面我就对这学期的学习做个 总结 ，讲讲有关学习计算机组成原理的心得。

《计算机组成原理》是计算机科学与技术专业一门核心专业基础课，在专业课程内起着承上启下的作用。这门课程是要求我们通过学习计算机的基本概念、基本结构，对组成计算机的各个部件的功能和工作过程、以及部件间的连接有较全面、较系统的认识，形成较完整的计算机组成与工作原理模型。

计算机组成原理第一章——计算机系统的概论。计算机是由硬件和软件组成的，计算机的硬件包括运算器，存储器，控制器，适配器，输入输出设备的本质所在。计算机系统是一个有硬件和软件组成的多层次结构，它通常由微程序级，一般机器级，操作系统级，汇编语言级，高级语言级组成，每一级都能进行程序设计，且得到下面各级的支持。

计算机组成原理第二章——计算机的发展与应用;简要介绍了计算机的发展史以及它的应用领域。计算机的应用领域很广泛，应用于科学计算和数据处理;工业控制和实时控制;办公自动化和管理信息系统等等。

计算机组成原理第三章——总线系统。计算机总线的功能与组成，总线的概念、连接方式、总线的仲裁、总线的定时以及总线接口的概念的基本功能都需要有深入的了解。

计算机组成原理第四章——存储系统。应重点掌握随机读写存储器的字位扩张情况，主存储器的组成与设计，cache存储器的运行原理以及虚拟存储器的概念与实现。

计算机组成原理第五章——输入/输出系统以及外围设备。计算机输入/输出设备与输入/输出系统综述，显示器设备，针式打印机设备，激光印字机设备;以及磁盘设备的组成与运行原理，磁盘阵列技术。输入/输出系统的功能与组成;教学机的总线与输入/输出系统实例。几种常用的输入/输出方式，中断与DMA的请求、响应和处理。

计算机组成原理第六章——运算方法和相关的运算器。尽管有些计算比较麻烦，可这些是学习的基础。以及相关的指令系统和处理器的工作原理。使我们在概论的基础上对计算机组成原理有了更深一步的了解。

计算机组成原理第七章——指令系统。控制单元必须要发出相应的指令，机器才能完成相应的操作。本章介绍了指令的一般格式和寻址方式，不同的寻址方式操作数的有效地址计算也是不同的。

计算机组成原理第八章，是重点的重点——中央处理器。重点掌握到内容很多：CPU的功能与基本组成，微程序控制器的相关与微程序设计技术。

计算机组成原理第九章——控制单元的功能。指令周期分为4个阶段，即取指周期、间址周期、执行周期和中断周期。控制单元会为完成不同指令所发出的各种操作命令。

计算机组成原理第十章——控制单元的设计。有两种设计方法：组合逻辑设计和微程序设计。

通过本课程让我了解到，本课程是计算机专业本科生必修的硬件课程中重要核心课程之一。基本要求是使学生掌握计算机常用的逻辑器件、部件的原理、参数及使用方法，学懂简单、完备的单台计算机的基本组成原理。当我第一次接触这门课程时有些枯燥、乏味，学起来很吃力，但我还是决心努力学好这门课程。因为它不仅是专业课，而且以后也是 考研 科目，而且它的具有重要的承上启下的作用，如果学不好，那在以后专业课的学习中就会遇到更多的难点和困惑，很容易形成破罐子破摔的情形。

现在一个学期就快要过去了，基本的课程也已结束。由于老师细致全面的讲授和我自己课下的反复学习，这门课已经在我心里形成了一个大概的理解和知识体系，有种“山重水复疑无路，柳暗花明又一村”的感觉。

结语

计算机组成原理是计算机专业本科生必修的硬件课程中重要核心课程之一。基本要求是使我们掌握计算机常用的逻辑器件、部件的原理、参数及使用方法，学懂简单、完备的单台计算机的基本组成原理，学习计算机设计中的入门性知识，掌握维护、使用计算机的技能。计算机组成原理是计算机专业的基础课。

通过对计算机组成原理知识的整理和实际应用，我深刻了解到掌握计算机组成原理的重要姓，了解到了计算机组成原理学基础在生活、工作等生活各个方面的重要姓和不可缺少姓。另一方面，通过学习也认识到了计算机组成原理学在一些微小方面一些不足和亟待于解决的问题或者小缺陷，这是我通过整理计算机组成原理而获得的极大收获。我相信这次的学习会对我以后的学习和工作产生非常大的影响力。

这门课对于使我们了解现代计算机的各个组成部分及其工作原理具有重要作用，对于我们后续课程的学习无疑也具有积极的意义。

(六)参考文献

[1]唐朔飞.计算机组成原理[M].北京：高等教育出版社，2000.

[2]唐朔飞.计算机组成原理：学习指导与习题解答[M].北京：高等教育出版社，2005.

[3]孙德文，等.微型计算机技术[M].修订版.北京：高等教育出版社，2006.

[4]张晨曦，等.计算机体系结构[M].2版.北京：高等教育出版社，2006.

[5]白中文，等.计算机组成原理[M].3版.北京：高等教育出版社，2002.

[6]erOraganizationandArchitecture:DesigningforPerformance[M].k:PrenticeHall，2005

组成原理课程设计论文

组成原理课程设计论文

当代，论文常用来指进行各个学术领域的研究和描述学术研究成果的文章，简称之为论文。它既是探讨问题进行学术研究的一种手段，又是描述学术研究成果进行学术交流的一种工具。它包括学年论文、毕业论文、学位论文、科技论文、成果论文等。接下来我为你带来组成原理课程设计论文，希望对你有帮助。

一、 实验名称：运算器实验

二、 实验目的：

1.学习数据处理部件的工作方式控制。 2. 学习机器语言程序的运行过程。

三、 实验原理：

CP226实验仪的运算器由一片CPLD实现，包括8种运算功能。运算时先将数据写到寄存器A和寄存器W中，根据选择的运算方式系统产生运算结果送到直通门D。

实验箱上可以向DBUS送数据的寄存器有：直通门D、左移门L、右移门R、程序计数器PC、中断向量寄存器IA、外部输入寄存器IN和堆栈寄存器ST。它们由138译码器的

四、 实验内容：

1. 计算37H+56H后左移一位的值送OUT输出。 2. 把36H取反同54H相与的值送人R1寄存器。

五、 实验步骤：

实验内容(一):

1. 关闭电源。用8位扁平线把J2和J1连接。

2. 用不同颜色的导线分别把K0和AEN、K1和WEN、K2和S0、K3和S1、K4和S2、

K6和X0、K7和X1、K8和X2、K9和OUT连接。 3. K15～K0全部放在1位，K23 ~K16放0位。

4. 注视仪器，打开电源，手不要远离电源开关，随时准备关闭电源，注意各数码管、

发光管的稳定性，静待10秒，确信仪器稳定、无焦糊味。 5. 设置实验箱进入手动模式。

6. 设置K0=0，K8K7K6=000，K23 ~K16=0011 0111。 7. 按下STEP键，在A寄存器中存入37。 8. 设置K0=1，K1=0，K23 ~K16=0101 0110。 9. 按下STEP键，在W寄存器中存入56。

10. 设置K0=1，K1=1，K8K7K6=110，K4K3K2=000。 11. 按下STEP键，L寄存器显示1A。 12. 设置K9=0,其他保持不变。

13. 按下STEP键，OUT寄存器显示1A。 14. 关闭实验箱电源。

实验内容(二):

1. 基本与实验内容(一)的前5个步骤相同(去掉连接OUT寄存器的导线)。 2. 连接K10和SA,K11和SB，K12和RWR。

3. 设置K0=0，K8K7K6=000，K23~K16=0011 0110。 4. 按下STEP键，A寄存器显示36。 5. 设置K8K7K6=100，K4K3K2=110。 6. 按下STEP键，A寄存器显示9C。

7. 设置K1K0=01，K8K7K6=000，K4K3K2=111，K23~K16=0100 0101。 8. 按下STEP键，W寄存器显示45。

9. 设置K1K0=11，K8K7K6=100，,4K3K2=011，K10K11=10，K12=0。 10. 按下STEP键，D寄存器和R1寄存器显示40。 11. 关闭实验箱电源。

六、 实验结论：

实现数据处理部件的工作方式控制和机器语言程序的运行过程。

七、 体会：

通过本次试验，我对运算器实验了解更深了并进一步巩固了第一周所学的内容。

八、 思考题：

如何计算3456H+12EFH的值？ 答：

通过CP226实验仪，把S2S1S0设置为100，可以使用带进位加法运算。由于是四位16进制，可以把它拆开，从个位开始计算，一位一位向上计算通过带进位加法器，即算(64H*64H+64H*10H*3H+64H*3H+10H*9H+8h)+(64H*10H*4H+64H*8H+10H*4H+7H)

【实验环境】

1. Windows 2000 或 Windows XP

2. QuartusII、GW48-PK2或DE2-115计算机组成原理教学实验系统一台，排线若干。

【实验目的】

1、熟悉原理图和VHDL语言的编写。2、验证全加器功能。

【实验原理】

设计一个一位全加器，能完成两个二进制位的加法操作，考虑每种情况下的进位信号，完成8组数据的操作。

【实验步骤】

1.1建立工程项目

1.1.4  原理图设计

新建项目后，就可以绘制原理图程序了。下面以一位全加器如图1-12所示为例，讲解原理图的编辑输入的方法与具体步骤。

图1-12 一位全加器原理图

（1）执行菜单“File”→“New…”，或在工具栏中单击图标，弹出如图1-13所示的“New”对话框。在此对话框的“Design Files”项中选择“Block Diagram/Schematic File”，在单击“OK”按钮，QuartusⅡ10.0的主窗口进入如图1-14所示的原理图工作环境界面。

图1-13 “New”对话框

（2）在如图1-14所示的原理图工作环境界面中单击图标或在原理图编辑区的空白处双击鼠标或在原理图编辑区的空白处右键单击在弹出的菜单中选择“Insert”中的任意一个，弹出如图1-15所示的元件输入对话框，在“Name”栏中直接输入所需元件名或在“Libraries: ”的相关库中找到合适的元件，再单击“OK”按钮，然后在原理图编辑区中单击鼠标左键，即可将元件调入原理图编辑区中。为了输入如图1-12所示的原理图，应分别调入and2、xor2、or3、input、output。对于相同的器件，可通过复制来完成。例如3个and2门，器操作方法是，调入一个and2门后，在该器件上单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择“Copy”命令将其复制，然后在合适的位置上右键，在弹出的菜单中选择“Paste”命令将其粘帖即可。1

图1-14 原理图工作环境界面

图1-15 元件输入对话框

如果元件放置好后，需要改元件的位置时，对于单个器件而言，在该器件上按住鼠标左键，拖到合适的位置后再松开鼠标左键即可；对于多个器件而言，应该按下鼠标左键框选需要移动的所有器件，然后将光标移动到选择的器件上，待光标变成可移动的“十”字光标，此时按住鼠标左键将其拖到合适的位置即可。

如果要删除元件时，应先将元件选中，然后按“Del”键或右键在弹出的菜单中选择“Del”。

如果要旋转元件时，应先将元件选中，然后右键在弹出的菜单中可选“Filp Horizontal”(水平翻转)、“Filp Vertical”(垂直翻转)、“Rotate by Degrees”(逆时针方向旋转，可选90°、180°、270°)等命令。

（3）将光标指向元件的引脚上，光标变成“十”字形状，按下鼠标左键并拖动，就会有导线引出，连接到另一端的元件上后，松开鼠标左键，即可绘制好一根导线，按此方法绘制好全部导线，如图1-16所示。

2

图1-16 导入元件和绘制导线（注意：用鼠标拖出的导线只能最多转一个弯）

图1-17 修改引脚名对话框

（4）双击或右键单击“pin_name”输入引脚，将弹出如图1-17所示的对话框。在此对话框的“Gerneral”页的“Pin name(s) ”项中输入引脚名，如：S，然后单击“确定”按钮，即可将“pin_name”输入引脚名改为“S”。按此方法依次修改其他引脚。修改后如图1-16所示。

（5）执行菜单命令“File”→ “Save…”，或在工具栏中单击

名并单击“保存”按钮即可（此时最好不要更改存储路径）。

图标，弹出“Save AS”对话框，在此对话框中输入文件

2.1 顶层VHDL文件设计

2.1.1  创建工程和编辑设计文件

首先建立工作库，以便设计工程项目的存储。任何一项设计都是一项工程（Project），都必须首先为此工程建立一个放置与此工程相关的所有文件的文件夹，此文件夹将被EDA软件默认为工作库（Work Library）。

在建立了文件夹后就可以将设计文件通过QuartusII的文本编辑器编辑并存盘，详细步骤如下：

1、新建一个文件夹。利用资源管理器，新建一个文件夹,如：e : eda 。注意，文件夹名不能用中文。

2、输入源程序。打开QuartusII，选择菜单“File”“New”，在New窗中的“Device Design Files”中选择编译文件的语言类型，这里选“VHDL Files”（如图2-1所示）。然后在VHDL文本编译窗中键入VHDL程序（如图2-2所示）。3

图2-1 选择编辑文件的语言类型

图2-2编辑输入设计文件（顶层设计文件）

图2-3利用“New Preject Wizard”创建工程

一、 实验目的与要求

(1) 掌握Cache 控制器的原理及其设计方法。

(2) 熟悉CPLD 应用设计及EDA 软件的使用。

二、 实验设备

PC 机一台，TD-CM3+或TD-CMX 实验系统一套。

三、 实验原理

本实验采用的地址变换是直接映象方式，这种变换方式简单而直接，硬件实 现很简单，访问速度也比较快，但是块的冲突率比较高。其主要原则是：主存中一块只能映象到Cache 的一个特定的块中。

假设主存的块号为B，Cache 的块号为b，则它们之间的映象关系可以表示 为：b = B mod Cb

其中，Cb 是Cache 的块容量。设主存的块容量为Mb，区容量为Me，则直接 映象方法的关系如图2-2-1 所示。把主存按Cache 的大小分成区，一般主存容量为Cache 容量的整数倍，主存每一个分区内的块数与Cache 的总块数相等。直接映象方式只能把主存各个区中相对块号相同的那些块映象到Cache 中同一块号的那个特定块中。例如，主存的块0 只能映象到Cache 的块0 中，主存的块1 只能映象到Cache 的块1 中，同样，主存区1 中的块Cb（在区1 中的相对块号是0）

也只能映象到 Cache 的块0 中。根据上面给出的地址映象规则，整个Cache 地址与主存地址的低位部分是完全相同的。

直接映象方式的地址变换过程如图2-2-2 所示，主存地址中的块号B 与Cache 地址中的块号b 是完全相同的。同样，主存地址中的块内地址W 与Cache 地址中的块内地址w 也是完全相同的，主存地址比Cache 地址长出来的部分称为区号E。

1

在程序执行过程中，当要访问 Cache 时，为了实现主存块号到Cache 块号的变换，需要有一个存放主存区号的小容量存储器，这个存储器的容量与Cache 的块数相等，字长为主存地址中区号E 的.长度，另外再加一个有效位。

在主存地址到Cache 地址的变换过程中，首先用主存地址中的块号去访问区号存储器（按地址访问）。把读出来的区号与主存地址中的区号E 进行比较，根据比较结果和与区号在同一存储字中的有效位情况作出处理。如果区号比较结果相等，有效位为‘1’，则Cache 命中，表示要访问的那一块已经装入到Cache 中了，这时Cache 地址（与主存地址的低位部分完全相同）是正确的。用这个Cache 地址去访问Cache，把读出来的数据送往CPU。其他情况均为Cache没有命中，或称为Cache 失效，表示要访问的那个块还没有装入到Cache 中，这时，要用主存地址去访问主存储器，先把该地址所在的块读到Cache 中，然后CPU 从Cache 中读取该地址中的数据。

本实验要在CPLD 中实现Cache 及其地址变换逻辑（也叫Cache 控制器），采用直接相联地址变换，只考虑CPU 从Cache 读数据，不考虑CPU 从主存中读数据和写回数据的情况，Cache和CPU 以及存储器的关系如图2-2-3 所示。

Cache 控制器顶层模块如图2-2-4 所示，主存地址为A7A0,共8 位，区号E 取3 位，这样Cache 地址还剩5 位，所以Cache 容量为32 个单元，块号B 取3 位，那么Cache 分为8 块，块内地址W 取2 位，则每块为4 个单元。图2-2-4 中，WCT 为写Cache 块表信号，CLR 为系统总清零信号，A7A0 为CPU 访问内存的地址，M 为Cache 失效信号，CA4CA0 为Cache 地址，

2

MD7MD0 为主存送Cache 的数据，D7D0 为Cache 送CPU 数据，T2 为系统时钟， RD 为CPU 访问内存读信号，LA1 和LA0 为块内地址。

在 QuartusII 软件中先实现一个8 位的存储单元（见例程中的），然后用 这个8位的存储单元来构成一个32 X 8 位的Cache（见例程中的）,这样就实现了Cache的存储体。

再实现一个4 位的存储单元（见例程中的），然后用这个4 位的存储单

元

来构成一个8 X 4 位的区表存储器，用来存放区号和有效位（见例程中的）,在这个文件中，还实现了一个区号比较器，如果主存地址的区号E 和区表中相应单元中的区号相等，且有效位为1，则Cache 命中，否则Cache 失效，标志为M，M 为0 时表示Cache 失效。

当Cache 命中时，就将Cache 存储体中相应单元的数据送往CPU，这个过程比较简单。 当Cache 失效时，就将主存中相应块中的数据读出写入Cache 中，这样Cache 控制器就要产生访问主存储器的地址和主存储器的读信号，由于每块占四个单元，所以需要连续访问四次主存，这就需要一个低地址发生器，即一个2 位计数器（见例程中的），将低2 位和CPU 给出的高6 位地址组合起来，形成访问主存储器的地址。M 就可以做为主存的读信号，这样，在时钟的控制下，就可以将主存中相应的块写入到Cache 的相应块中，

最后再修改区表（见例程中的（）。

四、 实验步骤

1、实验接线：

3

2、实验步骤：

(1) 使用Quartus II 软件编辑实现相应的逻辑并进行编译，直到编译通过，Cache 控

制

器在EPM1270 芯片中对应的引脚如图2-2-5 所示，框外文字表示I/O 号，框内文字表示该引脚的含义（本实验例程见‘安装路径Cpld ’工程）

(2) 关闭实验系统电源，按图2-2-6 连接实验电路，并检查无误，图中将用户需要连接的信号用圆圈标明。

(3) 打开实验系统电源，将生成的POF 文件下载到EMP1270 中去，CPLD 单元介绍见实验1.2。

(4) 将时序与操作台单元的开关KK3 置为‘运行’档，CLR 信号由CON 单元的CLR 模拟给出，按动CON 单元的CLR 按钮，清空区表。

(5) 预先往主存写入数据：联机软件提供了机器程序下载功能，以代替手动读写主存，机器程序以指定的格式写入到以TXT 为后缀的文件中。